末级过热器出口联箱疏水管焊缝裂纹分析及处理

张立新

（国家能源菏泽发电有限公司，山东 菏泽 274032）

0 引言

2019 年3 月，某厂3 号锅炉末级过热器出口联箱B 侧疏水管（材质A335P91，简称P91）标高40 m的弯头下方（按汽水流程）焊缝在运行中发生泄漏。这是该焊缝自2003 年8 月投产后发生的首次泄漏。为了保证抢修质量，对缺陷焊缝进行了必要的检验，并由检验结果展开分析讨论，初步判定了裂纹产生的原因，明确焊缝修复方法是严格焊接热处理及检验工艺。最终修复结果正常。

1 焊缝宏观形貌与检验情况

锅炉为亚临界、一次中间再热、固态排渣燃煤汽包炉。末级过热器出口联箱标高51 358 mm，蒸汽温度541 ℃，压力17.1 MPa。泄漏部位疏水管规格为114.3 mm×11.14 mm，弯头材质为A182MF91，管道材质为A335P91。该段管道连接末级过热器出口联箱和定排扩容器，仅在开停机时有汽水介质流动，正常运行时疏水门前介质为停滞状态。

1.1 泄漏焊缝宏观形貌

如图1 所示，泄漏焊缝E 为手工电弧焊盖面，表面无咬边错口等明显表露缺陷，无胀粗变形。裂纹（图中红色箭头所示）位于焊缝外表面中心线偏弯头（图1 左侧为弯头，右侧为直管）侧，河流状（锯齿）沿焊缝纵向分布，无分叉，长度约140 mm。

图1 焊缝E 宏观形貌

1.2 检验情况

因此次检修为抢修，工期紧张，所以只对缺陷焊缝E 及两侧弯头、直管进行了定量光谱分析、里氏硬度检验、磁粉检验和超声检验，并对邻近的B、H、K焊缝及两侧直管、弯头进行了扩大检验。

1.2.1 定量光谱分析

分析使用BRUKER S1 Titan 200 定量光谱仪（该光谱仪无法分析非金属元素），工艺标准执行DL／T 991—2016《电力设备金属光谱分析技术导则》。光谱分析结果显示，焊缝E 及两侧弯头、直管化学成分基本满足ASTMA335 标准要求。光谱分析结果如表1所示。

表1 末级过热器疏水管道焊缝E 光谱分析结果（成分质量分数） %

1.2.2 硬度检验

硬度测试使用HT-2000A 便携式里氏硬度计。工艺标准为GB／T 17394.1《金属材料里氏硬度试验第1部分：试验方法》。钢在加热或保温过程中，由于周围氧化气氛的作用，钢材表面会发生脱碳，造成表面碳质量分数降低，Fe3C 还原为Fe，这样就大大降低了材料的表面硬度［1］。故硬度测点首先用角向磨光机将直管、焊缝及弯头表面的氧化皮和可能存在的脱碳层磨除，打磨深度0.5～1.0mm，并以120 号砂纸细磨。

表2 末级过热器疏水管道焊缝E 修复前硬度测试结果HB

测点布置如图2 所示（图中仅列出焊缝编号B、E、H、K。表2 中直管、弯头均为图示焊缝两侧母材）。根据DL／T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》，标准中规定P91 钢焊缝硬度185～270 HB，管件硬度为175～248 HB，钢管硬度为185～250 HB［2］。可见弯头和直管硬度符合规程要求，但焊缝E 硬度严重超标。在原测点打磨2 mm 深度后硬度还是超标；在原测点附近两处和原测点180°位置再次测量后硬度依然超标。

图2 末级过热器出口联箱B 侧疏水管管系

1.2.3 磁粉探伤

使用MP-A2L 交流磁轭，湿法黑磁粉探伤。工艺标准执行NB／T 47013—2015《承压设备无损检测》，探伤灵敏度为A1：30／100。

发现焊缝E 外表裂纹一处，长约140 mm。如图3 所示，裂纹长度与宏观所见一致。

图3 焊缝E 裂纹位置

1.2.4 超声波探伤

工艺标准执行DL／T 820—2002《管道焊接接头超声波检验技术规程》。首先对焊缝两侧进行超声测厚，确认两侧壁厚一致。P91 钢管声速高于普通合金钢，扫查前对仪器系统使用了P91 材质的DL-1专用试块进行了调整和校验。因疏水管规格为D114.3 mm×11.14 mm，属于中小径薄壁管，故采用5P6×6K2.5 的小径管探头进行矩形移动扫查。为了探测焊缝横向缺陷，还进行了平行和斜平行扫查。同时为了排除焊缝根部缺陷，用5P6×6K1 探头辅助扫查。测得内部裂纹一处，长约120 mm；长度略短于磁粉探伤测长。焊缝无横向缺陷，内部无错口、根部未焊透等缺陷。

超声探伤裂纹测长短于磁粉探伤的可能原因：裂纹为面积性缺陷，在其生长扩展过程中具有方向性，其方向不一定与超声主波束垂直；焊缝裂纹外部长度大于内部长度。

1.2.5 管系支吊架情况

末级过热器出口联箱B 侧疏水管管系如图2 所示。管系共有两个刚性吊架，一个限位装置，一个刚性支架。两个刚性吊架位于标高40 m 的水平段（缺陷焊缝所在管段）；一个限位装置位于标高38 m 的垂直段，约束管道仅能进行Y 轴方向的位移；一个刚性支架位于标高33 m 的水平段。疏水一二次电动门位于标高37 m 的垂直段。按汽水流程，受检焊缝B、E、H、K 位于疏水门和刚性吊架的前方。

经现场观察，管道受热时，标高40 m 的疏水管水平段因限位装置和刚性吊架约束，沿X 轴向西膨胀时，产生X 轴向的膨胀应力，焊缝E 承受弯曲应力。

2 结果分析及推测

根据以上检验结果，可知焊缝E：

1）两侧母材硬度合格，焊缝硬度超标；

2）焊缝E 无错口、未焊透、咬边等根部缺陷，存在裂纹并裂透，母材无裂纹；

3）宏观检查支吊架正常，焊缝E 承受弯曲应力；

4）查阅运行实时曲线发现管系无超温情况，疏水门无内漏，事实上该管系实际运行温度大部分时间远低于末级过热器出口蒸汽温度；

5）邻近的B、H、K 3 个焊缝及周围弯头、直管硬度正常，无缺陷。

在以上检验过程中，因时间关系和现场条件限制，没有对事故焊缝进行机械性能试验和金相试验、断口分析、模拟试验［3］等，仅以之上的检验结果做如下初步分析和推测。

2.1 分析与讨论

2.1.1 焊接裂纹

焊缝中存在的裂纹可能是焊接冷裂纹。P91 钢是在9Cr1Mo 钢基础上，添加V、Nb、N 等合金元素.通过采用特殊的冶金技术而开发出的耐热合金钢。由于P9l 钢中Cr、Mo 元素含量比常见的CrMo 类耐热钢高很多，而且Cr、Mo 属于强碳化物形成元素，Cr、Mo 含量增加使钢的热强性和高温蠕变强度得到提高，并能提高碳化物热稳定性，从而使钢的使用温度得到提高。但与此同时也使钢的淬硬性显著提高，易产生冷裂纹。钢中V、Nb、N 等元素均属于碳化物和氮化物形成元素，有细化晶粒、提高冲击性能、提高蠕变持久强度的作用，但在高温环境下长期使用它们又会使热影响区粗晶区产生热裂纹。可见P9l钢的焊接性较差，若在焊接生产全过程未对其焊接质量实施精确控制，将难以避免冷裂纹和热裂纹的产生［4］。

出现冷裂纹的原因如下。

1）焊前预热温度不足。P91 钢空淬倾向大，焊后空冷到370 ℃左右焊缝金属的奥氏体开始转变为马氏体，快速冷却很容易产生冷裂纹，如果焊缝中存在的扩散氢达到一定浓度值，焊缝处存在应力集中或外应力，极易产生氢致裂纹，并且在焊后热处理前裂纹易扩展，造成部件断裂。预热可降低焊接应力，减缓焊后冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢的逸出，避免产生氢致裂纹，同时也可减少焊缝及热影响区的淬硬程度，提高焊接接头的抗裂性。

2）层间温度太低。若层间温度低于150 ℃，造成焊接冷却速度过快，焊接接头将产生淬硬马氏体组织，塑性和韧性下降；若层间温度高于350 ℃，冷却速度过慢，在焊接接头中引起晶粒边界碳化物析出和形成铁素体，不能形成马氏体组织，从而室温强度降低。

3）焊缝表面可能存在微裂纹。P91 钢焊接后，在冷却过程中焊缝金属中有很大的残余应力，特别是最后盖面层的焊道，冷却过程中产生的残余应力最大，与潮湿的空气接触最多。在大的残余应力与潮湿空气的综合作用下，焊缝表面产生了应力腐蚀裂纹［5］。这些微裂纹可能是焊缝开裂的起源。

2.1.2 运行中产生裂纹的原因

根据管系支吊架检查情况，开机时，疏水一二次电动门开启，管道内汽水开始流动，40 m 标高水平段受热向西膨胀，受到限位装置阻力，产生膨胀应力，使焊缝E、H 间的直管段向东产生位移，焊缝E 承受弯曲扭矩。若运行操作不当疏水电动门开启过快，管道或将产生汽水冲击，引起管系振动。该机组为调峰机组，启停频繁，故焊缝又承受了交变应力。

2.1.3 焊缝硬度

该焊缝硬度超过360 HB，或存在粗大的马氏体组织。焊缝硬度超标的原因如下。

1）焊前预热温度不合理。焊前预热温度应控制在合理的温度范围内，温度过高会使焊缝金属高温停留时间延长，造成晶粒长大变脆，降低焊缝金属的韧性。

2）焊道厚度大于焊条直径、焊接线能量过大。根据已有研究，焊缝硬度按焊缝层数顺序越往上（由内壁到外壁）硬度越高，这种现象与多层多道焊缝焊层之间的热处理作用有关。在多层多道焊缝中，后续焊道的焊接热循环对前一层焊道起再热作用，在焊缝中形成了焊层之间的热影响区。如果前一层焊层过厚，会形成以下2 种不利的组织形态：由于焊接时形成的熔池过大，在随后熔池冷却结晶过程中，冷却速度相对较慢，在柱状晶长大过程中柱状晶界会富集合金或杂质元素，使其成为薄弱部位；后续焊道的热影响区（AC1 以上）不能全部覆盖前一层焊道厚度，前一层焊道不能全部被细化，局部区域仍将保留原有的柱状晶组织。如果后一层焊层过厚，焊接时过高的焊接热量使其近缝区的前一道焊缝过热，前一道焊缝近缝区的薄弱部位（如富集大量合金或杂质元素的柱状晶）在焊接热应力作用下会进一步弱化，合金碳化物及杂质等将进一步向晶界偏聚，形成沿晶网状或线状缺陷。线状缺陷处合金元素Cr、Mo、Mn含量远远高于基体，硬度高达340 HV［6］。焊缝表面显微硬度达到286～340 HV（HV 与HB 值基本一致）时，此处金相组织或许存在线状缺陷或柱状晶。此类区域显微硬度很高，导致焊缝冲击韧性极低。

焊道厚度大于焊条直径、焊接线能量过大是造成焊缝硬度高的原因之一。焊接过程中要严格控制焊层厚度不大于焊条直径，同时在保证焊接良好熔合的前提下尽量减小焊接规范。

3）焊后热处理温度不足。当焊后热处理温度超温时，焊缝中的重新奥氏体化后的组织比正常组织粗大，粗大的马氏体组织硬而脆，焊缝的硬度升高；焊后热处理温度不足时，焊缝组织没有充分转变，依然保持原来粗大的形态，硬度同样比较高。有研究通过对T91／P91 焊口进行硬度检验来推断焊口焊后的热处理状态：当焊缝硬度明显增加而热影响区硬度明显减低时，可认为焊后热处理温度超温；当焊缝硬度增加明显而热影响区硬度无明显变化时，可认为焊后热处理温度不足［7］。焊缝E 应属后一种情形。

焊后热处理温度不足的原因可能是测温不准，焊件保温不够。

4）热处理升温速度可能超过规范。现有的《T91／P91 钢焊接工艺导则》规定，焊后热处理的升降温速度以≤150 ℃／min 为宜，降温至300 ℃以下时，可不控温，在保温层内冷却至室温。根据已有研究，T91／P91 钢焊缝在760℃×1h 保温规范下，升温速度增加，焊缝硬度增加，母材硬度基本不随升温速度变化而变化［8］。

2.1.4 技术监督

实际工作中该段管道或未列入金属监督范围。DL／T 438—2016 《火力发电厂金属技术监督规程》（以下简称DL／T 438）“1 范围”规定：“本标准适用于以下金属部件的监督：工作温度高于等于400℃的高温承压部件（含主蒸汽管道、再热热段蒸汽管道、过热器管、再热器管、集箱和三通），以及与管道、集箱相联的小管。”显然末级过热器出口联箱属于金属监督范围，与联箱相联的疏水管也属于监督范围内的“与管道、集箱相联的小管”。且该疏水管材质为A335P91，DL／T 438 规程中对9%～12%Cr 系列钢制管道管件的监督检验有特别的规定（7.3 条）。实际工作中对此管道的监督检验或有遗漏。

3 处理过程

根据以上分析及推测，可知焊缝E 裂纹且硬度高或因焊接工艺或热处理工艺参数不正确，工艺措施不严格，质量检验不严谨造成。而支吊架原因和汽水冲击引起的振动，须进行进一步分析计算，此次处理暂不考虑。

处理前放尽疏水管内的蒸汽和疏水，关闭疏水门。因P91 钢对氢致裂纹敏感，焊接区附近须保持清洁、干燥，热处理之前焊缝不能接触水汽等含氢物质；因热处理前裂纹易扩展，受力易导致断裂，所以焊态下接头不能承受大的热作用或其他敲击、碰撞等外加载荷。虽然抢修争分夺秒，但焊接热处理过程结束前严禁上水。

3.1 坡口制作

1）用便携式切割机沿熔合线焊缝一侧切除整个焊缝，切除过程中注意预留好坡口大致型式并避免伤及母材。

2）用角向磨光机磨除焊缝残余部分和少量裂到母材的裂纹，将焊口每侧20 mm 范围、管子内外壁的油、垢、锈、漆等清理干净，直至露出金属光泽；坡口处进行着色检验确认无裂纹存在。

3）坡口制备按图4 要求。要求内外壁平齐，无错口、偏斜。

4）严禁强力对口。

图4 焊缝E 坡口制备

3.2 焊接机具及材料

焊接方法：为避免氢致裂纹，使用全GTAW（手工钨极氩弧焊）。

焊丝：日本神钢TGS-9Cb Φ2.5 mm，焊前进行光谱分析。

焊机：ZX7-400ST 型逆变焊机，极性正接。

钨极：WCe-20，Φ2.5 mm。

氩气：纯度不低于99.95%。

焊接设备（含热处理设备、无损检测设备）及仪表、热电偶等应经过定期检查，需要计量校验的部分在校验有效期内使用。

3.3 焊接和热处理工艺

3.3.1 充氩保护

因P91 钢焊接时焊缝根部和焊接区域易氧化，焊接时应在根部背面充氩保护，提前送气、滞后断气，避免产生未焊透和未熔合缺陷。

焊接前，在坡口两侧各200～300 mm 处，用可溶纸做成密闭气室，并用耐高温胶带粘牢；采用16×2 mm的不锈钢管做成“气针”，插入焊缝内进行充氩，氩气流量开始为10～20 L／min，施焊中保持8～10 L／min。

3.3.2 焊前预热

P91 钢焊前预热采用柔性陶瓷电加热器进行，预热宽度从对口中心算起，每侧不小于管壁厚的3倍（34 mm），不小于100 mm。

采用两支热电偶，一支控温，一支测温。控温热电偶应布置在焊缝中心，监测热电偶布置于直管距焊缝边缘12 mm 处。两支热电偶沿圆周均匀布置。

预热时缓慢升温，尽管马氏体钢在300 ℃以下无组织变化，但局部升温过快，会造成组织应力增大。预热温度：100～150 ℃，不超过150 ℃。达到预热温度时恒温至少30 min，保证内外壁温差均匀，预防冷裂纹的产生，保证冲击韧性。

预热温度不能过高，过高的预热温度会危害焊缝金属的韧性。因此，在控制预热和层间温度时，随时用远红外线测温仪测温。

3.3.3 施焊

整个焊接过程跟踪伴热，热处理设备为远距离控制，现场应随时对层间施焊温度进行监控，确保层间温度为100～150 ℃。

表3 焊接工艺规范参数

在施焊中要求焊层厚度不大于所用焊丝直径，摆动宽度不大于所用焊丝直径的3 倍。焊接采用多层多道焊，同时多层多道焊接头应错开，严禁在同一处收弧，以免局部温度过高产生粗大组织影响施焊质量。焊接时应逐层进行宏观检查，无表面缺陷后方可焊接次层，直至焊接结束。

焊接不可随意中断。若中断，应尽快恢复焊接［9］。

3.3.4 马氏体转变

P91 钢在焊接完成后必须缓冷至80～100 ℃并恒温1 h，以确保热处理前获得100%马氏体组织。恒温时间必须使整个焊接接头温度都能达到100 ℃以下。为使内外壁温度能够均匀，在焊接结束后及恒温过程中可以在管道壁温较低的情况下将预热用的加热器及保温材料拆除，确保顺利完成马氏体转变。

3.3.5 最终热处理

P91 钢焊后热处理应在马氏体转变后立即进行。热处理采用柔性陶瓷电加热器，加热宽度从对口中心算起，每侧不小于管壁厚的3 倍（34 mm），不小于100 mm。

焊后热处理升降温速度小于150 ℃／h，不得任意改变升降温速度。降温时，300 ℃以下可不控制。

焊后热处理温度760±10 ℃，恒温时间1 h。

若在焊后热处理过程中加热中断，应启动备用电源，完成后热过程，并缓冷到室温。

3.4 质量检验和标准

焊接接头热处理完毕，用角向磨光机清理焊口及热影响区表面，打磨出金属光泽，进行光谱、宏观、硬度、金相、磁粉、超声检验。检验工艺标准、质量标准同修复前。

3.5 检验结果

焊缝光谱检验用定量光谱分析仪进行，结果符合ASTMA335；焊缝外观平滑，余高、余高差、宽度检验符合DL／T 869Ⅰ类接头标准，无表露缺陷。

硬度检验结果：根据DL／T 438—2016 《火力发电厂金属技术监督规程》，P91 钢焊缝硬度185～270 HB，管件硬度为175～248 HB，钢管硬度为185～250 HB［2］。实际结果弯头D`焊缝E`直管F`硬度合格。如表4 所示。

表4 末级过热器疏水管道焊缝修复后硬度测试结果HB

金相组织标准应为回火马氏体／回火索氏体，因时间关系未做。磁粉探伤灵敏度为A1：30／100，未见缺陷。超声检验未见缺陷。

4 结语

P91／T91 钢焊接接头在预热、焊接和热处理参数和工艺措施选用不当，会使接头产生粗晶马氏体、接头脆化及增大再热裂纹敏感性，极易导致接头失效。对于P91 钢的焊接必须认真进行焊接工艺评定，以验证拟定的焊接和热处理工艺参数的正确性，同时在焊接热处理过程中要精确测量与控制，严格执行工艺措施。

对于微观裂纹，传统的无损探伤可能漏检。采用现场金相方法可以检验焊缝金相缺陷，从而评定焊缝质量。本次检修处理过程未进行金相、力学性能等检验，修复后的焊缝质量仍存疑问。末级过热器联箱疏水管系的支吊架或许存在优化的可能，应进一步计算评估和优化。机组启停时应谨慎操作疏水门，密切注意管系振动情况。